CIM技術在城市水環境治理中的應用研究*

黃 超，徐林箏，陳澤銳，林龍輝，揭 敏

(中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161)

0 引言

城市高速發展，更新擴容速度快，老舊城區交疊，老舊雨污排水系統不完善，雨污錯接、管網破損等情況造成的影響日益凸顯，城市污水排入河中，直流街道，造成水污染以及環境污染嚴重。在雨天，城市排水系統無法滿足城市排水需求，街道積水嚴重、雨污溢流，給出行造成困擾，嚴重影響城市形象。目前水污染治理主要采用源頭截污與排口治理的方法，傳統方法缺乏針對性，無法量化，不能滿足城市不同情況下的排放及治理要求。排水系統為隱蔽工程，早期管道資料不全甚至缺失導致后期整改維護困難，加重了城市水體污染以及后期治理難度。CIM(city information modeling)，通過城市信息數據還原真實城市模型，更加便捷直觀傳遞城市信息，了解城市現狀。通過與BIM模型、三維斜測模型、GIS三維天地圖、城市地表徑流模型等技術連接，形成更加具體全面的信息平臺，根據各項信息模擬展示各種突發狀況以及分析各種應對方法產生的效果，從而研究適用于各大城區排水系統改造的較為合理的分流制排水體制改造方案。

1 國內水環境現狀

1.1 水污染情況

據統計，截至2020年，我國水資源總量為27 700.8億m3。但1990年之前我國污水處理率為0，自有統計以來，我國排放污水總計達13 000多億m3，占我國水資源總量的近1/2，完全未經過處理直接排放的生產生活污水達7 000多億m3，達到我國水資源總量的近1/4，水污染問題嚴重。

1.2 生活垃圾處理情況

根據最新統計數據，截至2019年我國生活垃圾清運總量達到24 206.2萬t，其中垃圾處理分為無害化處理及其他，垃圾無害化處理主要分為3種方式：衛生填埋、焚燒處理、其他。我國城市生活垃圾無害化處理量為19 673.8萬t，其中衛生填埋量為11 804.3萬t，占比為60%；焚燒量為6 885.8萬t，占比為35%；其他無害化處理量占比為5%。這幾種方式在處理上或多或少都會對環境、水、土壤以及居民造成影響，除了能被統計的垃圾清運之外，還有很多隨處丟棄的垃圾以及隨意排放的污水無法統計。

2 水環境治理方法與信息技術

2.1 水環境治理方法

目前水環境治理方法是前期通過排口溯源從源頭治理，排查各個錯接點以及亂排亂放點，改造原有排水管道，將雨污分流，并且新建污水處理站，將各種污水匯總通過提升泵站匯集排至污水處理站，通過各項處理達到排放要求后排至河道中。

2.2 目前治理技術難點、缺陷

1)局限性 目前的治理技術是現場排查發現不正常流水口或者污水亂排點，通過溯源找出源頭從而解決問題。這種傳統方法過于片面單一，具有偶然性、隨機性，只能解決當下發現的問題，不能解決根本問題。

2)信息不全，施工難度大 由于目前現有的排水系統大多為老舊系統，早期系統資料不齊全或者殘缺丟失，導致后期進行整改時無法查詢資料了解完整結構，需要消耗更多時間進行排查，增加施工難度。

3)涉及部門多，協調配合難度大 水污染治理主要為管道工程，由于管道工程為隱蔽工程，整個施工過程牽扯部門繁多，需要與多方進行協調，加大了施工難度。

4)無法滿足特殊情況 雨季時雨量過大，排水系統達不到排水要求，導致積水嚴重，由于早期技術不成熟以及現有技術無法預估各種情況下的排放要求，導致系統無法針對變化情況正常運行，雨污溢流造成污染。

2.3 BIM技術發展現狀

建筑信息模型(building information modeling，BIM)，是指以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型基礎，進行建模，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。我國在建筑中應用BIM技術可分為兩個階段：第1階段為2002—2014年，主要是以學習BIM技術為主，對BIM技術的了解處于初級階段；第2階段為2014年至今，許多研究內容都表達了BIM技術對建筑信息化的重要性。目前，BIM技術在建筑行業中應用越來越廣泛，項目招投標中規定，項目設計與施工階段采用BIM技術形成前期規劃，按照設計要求進行建模，依托BIM平臺的各項功能，進行碰撞檢測，模擬各種可能行，在設計階段得出最適合的設計方案，依靠BIM技術可以模擬各種狀況，提前預知各種可能性，從而降低風險、提高效率，將效益最大化、方案最全化。

2.4 三維斜測模型理論與技術發展現狀

無人機技術被廣泛用于遙感測繪領域，也逐漸應用于建筑、交通、防災救援等領域。隨著地形與制圖技術的發展，三維數字模型引起人們的關注，攝影遙感等可視化技術得到重視。斜測攝影技術是近幾年測繪領域迅速發展起來的一項技術，它顛覆了以往常規的正射影像只能從垂直視角拍攝的局限，通過在1個飛行平臺上搭載2～5個傳感器，同時從多個角度采集影像，形成直觀模型，讓用戶從多個角度觀察，更加了解實際情況，彌補了基于正射影像應用的不足。無人機航測技術在發達國家運用較早，處于成熟階段，近年來無人機攝影技術在我國也得到越來越多的應用，無人機斜測攝影技術也越來越完善。

2.5 GIS三維天地圖理論與技術發展現狀

GIS技術是利用專業軟件和計算機硬件，獲取空間地理信息、編輯并存儲數據，供隨時調取查詢，支持計算和管理所存儲信息，還可通過制圖處理顯示信息，并可分析和應用相關數據為地質水文工作提供支持。當前技術水平下GIS得以多維度發展，且進展迅速。GIS技術被應用于城市規劃、土木工程、地理測繪、國土資源管理等。

2.6 城市地表徑流模型理論概述

針對暴雨頻發引起的城市內澇災害和雨污污染，為了進行控制，需要了解雨水徑流系統，通過計算得出城市地表徑流模型，并得出雨水不同量的流向以及會發生的狀況等。1978年，美國環保局(EPA)提出了SWMM 模型(storm water management model)，可以計算城市產匯流過程，主要包括時變降雨量、地表水蒸發洼地截留、地表徑流非線性水庫演算等。MOUSE(model for urban sewers)是丹麥水力學研究所(DHI)1983年開發的用于模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，可模擬泥砂和溶解態、顆粒態污染物的運動以及管道中水質變化過程和微生物降解過程。DHI還針對城市降雨模擬開發了MIKEURBAN，能快速準確模擬雨水污水泥砂沉積與輸移，分析水質及泥砂堆積問題，預測暴雨條件下發生城市內澇的位置與嚴重程度。相較于國外，我國的城市地表徑流模型起步較晚，但通過吸取國外優秀案例經驗，自主研發的模型有城市雨水管道計算模型(SSCM)、 城市雨水徑流模型(CSYJM)等。

3 CIM技術在水環境治理中的應用研究

3.1 CIM技術

CIM技術用以實現城市規劃、建設、運維管理全鏈條的信息管理，解決新型智慧城市建設中數據孤島的困境，以數據驅動城市治理方式的革新。CIM發展方向是打造數字城市領域最為核心的建筑物聯時空大數據平臺，各行業、各部門信息共享，集成各業務數據，通過多維度可視分析，更加有效管理城市，達到精細化管理。CIM的應用能夠促進城市發展，更加完善城市運營體系。

3.2 CIM城市管理平臺與其他信息技術的關系

3.2.1BIM與CIM城市管理平臺

BIM一般用于建筑當中，相較于CIM的宏觀表現，BIM更多的是展現細節部分，仿佛是一個個細胞組成了城市，并且能夠展現城市建筑信息以及隱蔽工程，可以更加便捷地了解城市各管線運行情況，為后期運行維護提供保障。應用BIM能夠在水污染治理中通過管線碰撞了解管線安排的最優布置方案，及時處理各種情況。

3.2.2三維斜測模型、GIS與CIM城市管理平臺

通過三維斜測輔助GIS地理信息系統，將城市的二維展現變成了三維立體。三維斜測配合GIS技術，從多方位、多角度展現城市面貌，組成了城市信息系統的皮膚構造。將三維斜測以及GIS應用到水環境治理中，可以清楚展示河道情況以及污染排放情況。污染源通過三維斜測以及GIS在CIM城市管理平臺中清楚展現，發現問題點及時報警并顯示位置，從而能夠快速解決問題。利用三維斜測可以清楚展示城市河道、排水系統的現狀，通過GIS的信息采集、整合分析以及配合算法處理，可以實現對水文的實時監測，并且結合對水位的實時監控以及降雨數據的處理建立模型，實現對災害的有效預防。通過三維斜測輔助GIS建立模型，開展空間數據處理，實現對數據信息的收集、編輯，為城市管網系統提供依據。

3.2.3城市地表徑流模型與CIM城市管理平臺

河流是城市的血脈，地表徑流是城市的血管，貫穿著城市流動，關系著城市的平穩運行。水環境污染很大一部分原因除了人工污染之外，還有自然原因，由于暴雨或者極端天氣，城市排水系統無法滿足要求，造成雨污混流，水滿溢流，從而造成水體污染。城市地表徑流模型通過對城市地表徑流以及降雨數據進行分析，計算模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型，結合CIM中其他信息模型分析出暴雨條件下發生城市內澇的位置與嚴重程度，針對具體情況制定合理方案。

4 結合CIM的智慧水環境治理運行管理模式研究

4.1 水環境治理智慧化運行管理模式的目標

1)為信息交流、協同治理提供支撐平臺 將CIM引入水環境治理中，可以大大縮短溝通交流時間，各部分業務信息以及現場情況在CIM平臺上一目了然，實現了各部門業務信息共享交流以及協同作業，將水污染治理工作變得更加便捷。

2)實現對水環境治理全方面掌控 傳統方法是發現一處整改一處，存在許多未發現、未整改的源頭，靠人工巡查耗時耗力效率低且不經濟，無法做到時時監督。采用CIM技術，結合其中的三維斜測以及GIS地理信息系統及BIM技術可以對每個排口、每條河流時時監控，出現異樣可以及時知道突發點的位置，綜合分析制定出適合的方案，通過對信息資源的共享、整合、分析和各項業務之間的合作聯系，突破時間空間限制，將管理伸展到城市的每個角落，實現對水環境乃至整個城市的全方位掌控。

3)治理效率最大化，治理成效最大化 通過將CIM技術運用到水環境治理中，利用信息共享清楚地展現整個城市狀況，實時監控城市運轉情況，面對水污染能及時找出原因，結合不同模型分析得出最佳治理方案，面對暴雨極端天氣能夠分析出城市降水量以及排水量，從而制定最佳管線布置方案，解決積水、排水不暢等問題，將治理效率最大化，治理成效最大化。

4.2 CIM支撐智慧水環境治理目標實現

1)技術支持 利用BIM、三維斜測、GIS技術配合地表徑流模型模擬整個城市運轉情況，針對城市擴容以及管線建造等都可以利用該技術進行建模，找出最優方案設計。隨著國內CIM技術應用越發成熟，更加保障了水環境治理智能化的實施應用。

2)數據資源共享 CIM從多個角度展示整個城市的狀況，并且包含多個系統，各方信息均包含在內，利用BIM以及GIS提供城市數據信息，結合各部門數據方便進行查詢分析，通過對各方數據的整合形成CIM城市管理平臺，實現城市業務聯合與統籌集成及核心業務的提升，可以更加有效地治理水環境污染。

3)可視化技術 水環境治理更加智慧化，從二維到三維是必然的，要實現對水環境治理的全方位掌控，離不開各方面信息的支持，而CIM具備對所有實體對象實現三維可視化的能力，能夠根據城市及水環境現狀實時更新和監督。

4.3 基于CIM的智慧水環境治理模型設計

CIM城市管理平臺由CIM技術、BIM技術、三維斜測技術、GIS技術及地表徑流模型組合構成，以城市信息模型為骨架，BIM技術為細胞，三位斜測輔助GIS地理信息作為皮膚，地表徑流模型為血液共同構建完整的智慧型水環境治理平臺(見圖1)。

圖1 智慧型水環境治理流程

利用BIM技術，將城市各種類型信息收集建立城市模型，配合三維斜測以及GIS地理信息建立城市三維模型，添加各部門信息，綜合展現出一個完整的城市以及水環境系統。城市擴容或者水環境產生變化，無人機以及GIS監控系統會立即在CIM城市管理平臺中體現，及時展現出問題點，相關部門能夠在第一時間知道位置并通過分析各項信息得出最優解決方案，以最快的速度解決問題。針對城市擴容或管網改造，綜合分析出適用于各種情況的管線布置方案，并且將數據信息自動上傳使后期的運營及維護更加便捷。

5 結語

CIM通過將城市數據顆粒細化到建筑單體內部每個部件，將傳統數字城市升級為可感知、動態在線、虛實交互的數字孿生城市。針對傳統水污染治理方法效率低、耗時耗力并且有一定的局限性，CIM城市管理平臺以CIM為基礎，結合BIM技術、GIS、三維斜測以及城市徑流模型等信息模型，通過三維立體展示城市模型，實現城市動態一體化，通過平臺清楚展示城市管道走向并實時監測水體動態，一旦出現問題能及時發現，找出源頭，利用各項信息技術找出最優解決方案，達到治理目的，為城市治理提供數字賦能、智慧賦能，全面提升水務治理效率，使城市管理更加科學化、精細化。雖然目前還在研究階段，但是相信在信息化技術發展的推動下，基于CIM的智慧化水環境污水治理技術將會得到完善并形成一套成熟的理念，真正應用于水環境治理當中，對整個城市的水環境與水安全進行長效治理與監督。